我國(guó)HEV廢舊鎳氫電池包中稀貴金屬資源化利用環(huán)境效益分析

王 昶,魏美芹,姚海琳,*,左綠水

1 中南大學(xué)商學(xué)院, 長(zhǎng)沙 410083 2 中南大學(xué)金屬資源戰(zhàn)略研究院, 長(zhǎng)沙 410083

我國(guó)HEV廢舊鎳氫電池包中稀貴金屬資源化利用環(huán)境效益分析

王 昶1,2,魏美芹1,姚海琳1,2,*,左綠水1

1 中南大學(xué)商學(xué)院, 長(zhǎng)沙 410083 2 中南大學(xué)金屬資源戰(zhàn)略研究院, 長(zhǎng)沙 410083

廢舊動(dòng)力電池包中含有豐富的鎳、鈷、稀土等稀貴金屬,其資源化利用是實(shí)現(xiàn)混合動(dòng)力汽車(Hybrid Electrical Vehicle,簡(jiǎn)稱HEV)全生命周期綠色化管理的重要內(nèi)容之一。隨著HEV的不斷發(fā)展,動(dòng)力電池包在未來(lái)幾年將逐漸進(jìn)入批量報(bào)廢階段,其資源化利用的環(huán)境效益成為值得關(guān)注的問(wèn)題。鑒于此,以豐田混合動(dòng)力汽車鎳氫電池包為研究對(duì)象,利用GREET模型和LIME值法測(cè)算出,相比于原生礦開采,單位廢舊鎳氫電池包中稀貴金屬資源化利用所產(chǎn)生的環(huán)境效益為1083元；根據(jù)報(bào)廢周期,對(duì)我國(guó)市場(chǎng)上現(xiàn)存的HEV鎳氫電池包的未來(lái)報(bào)廢情況進(jìn)行預(yù)測(cè)。結(jié)果表明,這些電池包將從2018年開始迎來(lái)報(bào)廢,在2021年達(dá)到報(bào)廢高峰,至2024年基本完成報(bào)廢；預(yù)計(jì)其稀貴金屬資源化利用的環(huán)境效益,可累計(jì)達(dá)9421萬(wàn)元。提出了加強(qiáng)廢舊動(dòng)力電池回收體系和資源化利用體系建設(shè)的政策建議。

HEV廢舊鎳氫電池包；稀貴金屬；環(huán)境效益；GREET模型；LIME值法

隨著我國(guó)汽車行業(yè)的快速發(fā)展,交通行業(yè)已成為中國(guó)最大的石油消耗行業(yè)[1]。我國(guó)環(huán)保部2011年《中國(guó)機(jī)動(dòng)車污染防治年報(bào)》的統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示,機(jī)動(dòng)車污染日益嚴(yán)重,已經(jīng)是大氣環(huán)境最突出、最緊迫的問(wèn)題之一。為緩解石油進(jìn)口依賴和解決日益嚴(yán)重的大氣污染問(wèn)題,節(jié)能與新能源汽車的推廣應(yīng)用引發(fā)我國(guó)高度重視。從2012年開始,我國(guó)節(jié)能與新能源汽車得到大力發(fā)展,現(xiàn)已形成了以混合動(dòng)力、純電動(dòng)、燃料電池三大技術(shù)路線為代表的電動(dòng)汽車研發(fā)和推廣格局,其中混合動(dòng)力汽車(HEV)成為目前及未來(lái)一段時(shí)間的發(fā)展重點(diǎn)。動(dòng)力電池是HEV的重要組成部分,也是推動(dòng)HEV市場(chǎng)化的關(guān)鍵部件[2],主要包括鋰電池和鎳氫電池。其中,鎳氫電池已經(jīng)進(jìn)入成熟期,實(shí)現(xiàn)了規(guī)?；a(chǎn)[3],目前在市場(chǎng)上占有主導(dǎo)地位。按照HEV鎳氫電池壽命大概為6a到8a測(cè)算[4],預(yù)計(jì)我國(guó)HEV廢舊鎳氫電池包將從2018年開始批量出現(xiàn)。HEV鎳氫電池包中含有大量的鎳、鈷、稀土等戰(zhàn)略性稀貴金屬。鈷是我國(guó)對(duì)外依存度最高的有色金屬,2013年我國(guó)的鎳對(duì)外依存度也高達(dá)70%。我國(guó)雖為稀土儲(chǔ)量大國(guó),卻承擔(dān)了世界90%以上的市場(chǎng)供應(yīng)。因此,廢舊動(dòng)力電池包的資源化利用具有資源與環(huán)境的雙重價(jià)值,也是實(shí)現(xiàn)推動(dòng)汽車全生命周期綠色化管理的重要內(nèi)容之一。

目前,國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)動(dòng)力電池環(huán)境影響方面的研究,主要集中在以下兩個(gè)方面：一方面,對(duì)動(dòng)力電池全生命周期的環(huán)境影響的研究。汪琪等[5]采用生命周期評(píng)價(jià)法(LCA)和生命周期成本分析對(duì)鋰離子正極材料環(huán)境價(jià)值進(jìn)行分析；Notter[6]利用LCA對(duì)動(dòng)力鋰電池進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn),電池產(chǎn)生的環(huán)境影響占整車的環(huán)境影響只有15%,電池使用階段是全生命周期中造成環(huán)境影響的主要階段；吉林大學(xué)的盧強(qiáng)[7]等利用LCA法,參考GREET模型中部分相關(guān)數(shù)據(jù),研究了動(dòng)力磷酸鐵鋰電池和鎳氫動(dòng)力電池從“搖籃到使用”溫室氣體排放情況；Matheys[8]、Majeau-Bettez[9]、Van Autenboer[10]和韓業(yè)斌[11]等人利用LCA法對(duì)不同的動(dòng)力電池全生命周期的環(huán)境影響進(jìn)行評(píng)估與比較。另一方面,對(duì)動(dòng)力電池資源化利用環(huán)節(jié)的環(huán)境影響的研究。高洋[12]利用Gabi軟件計(jì)算了鎳氫動(dòng)力電池和鋰離子動(dòng)力電池資源化利用的環(huán)境影響；Dewulf[13]研究發(fā)現(xiàn),對(duì)動(dòng)力電池中鎳和鈷金屬進(jìn)行資源化利用,可減少51.3%的自然資源消耗,包括減少45.3%的礦石消耗和57.2%的化石能源消耗。Kushnir[14]指出,回收廢舊動(dòng)力電池可以減少對(duì)金屬能源的開采,降低電池的生產(chǎn)成本。此外,余海軍[15]總結(jié)了近年來(lái)國(guó)內(nèi)外鋰離子電池和鎳氫電池資源化利用的方法。

從已有研究成果來(lái)看,目前對(duì)動(dòng)力電池環(huán)境影響的相關(guān)研究主要關(guān)注電池在使用過(guò)程中帶來(lái)的節(jié)能減排效果,對(duì)其資源化利用環(huán)節(jié)的環(huán)境效益研究較少,缺乏對(duì)廢舊動(dòng)力電池包中稀貴金屬資源化利用環(huán)境效益的研究。為此,本文對(duì)我國(guó)市場(chǎng)上現(xiàn)存的HEV鎳氫電池包中的稀貴金屬未來(lái)資源化利用的環(huán)境效益進(jìn)行測(cè)算,為國(guó)家及早應(yīng)對(duì)大規(guī)模動(dòng)力電池的報(bào)廢管理提供科學(xué)依據(jù),以促進(jìn)汽車產(chǎn)業(yè)的綠色發(fā)展。

1 研究方法與數(shù)據(jù)說(shuō)明

1.1 研究方法

圖1 HEV廢舊鎳氫電池包中稀貴金屬資源化利用環(huán)境效益計(jì)量模型Fig.1 The measurement model of environmental benefits of resource utilization of precious metals in HEV spent Ni-MH battery pack

本文首先運(yùn)用GREET模型計(jì)算出,對(duì)單位HEV廢舊鎳氫電池包中的稀貴金屬鎳、鈷、稀土進(jìn)行資源化利用和原生礦開采的能量消耗和氣體排放情況,進(jìn)而計(jì)算出相應(yīng)的節(jié)能減排量；其次,利用LIME值法將減排的氣體轉(zhuǎn)化為環(huán)境效益；最后,利用市場(chǎng)供給A模型對(duì)我國(guó)市場(chǎng)上現(xiàn)存的HEV鎳氫電池包未來(lái)的報(bào)廢情況進(jìn)行預(yù)測(cè),進(jìn)而計(jì)算出對(duì)其蘊(yùn)含的稀貴金屬進(jìn)行資源化利用的環(huán)境效益,計(jì)量模型如圖1所示。

1.1.1 環(huán)境影響測(cè)算方法

本文擬采用美國(guó)阿貢實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的GREET模型作為研究工具,對(duì)HEV廢舊鎳氫電池包中稀貴金屬資源化利用與原生礦開采的環(huán)境影響進(jìn)行測(cè)算。目前該模型已經(jīng)開發(fā)出1系列(燃料循環(huán)模型)和2系列(車輛循環(huán)模型)。其中1系列在1995年提出,基于車用燃料生命周期開發(fā)的用于計(jì)算各種車用燃料能源消耗和空氣污染物排放的模型[16]。2系列針對(duì)整車開發(fā),可用于評(píng)價(jià)和汽車相關(guān)的礦物的開采、原材料運(yùn)輸、汽車零部件加工、整車裝配以及汽車報(bào)廢回收在內(nèi)的整個(gè)車輛生命周期的能源消耗和污染物排放,包括動(dòng)力電池包中稀貴金屬資源化利用及原生礦開采的能量消耗和氣體排放情況。GREET模型中氣體排放因子主要采用的是平衡法計(jì)算,如二氧化碳的排放因子采用的是碳平衡法計(jì)算。在使用該模型的過(guò)程中,本文對(duì)其中的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行本土化處理后再進(jìn)行模擬。

GREET模型能耗計(jì)算基本原理為：對(duì)于特定的上游某一階段,用能量效率來(lái)計(jì)算每產(chǎn)出1千焦(KJ)能量輸出所需要的能量輸入,即：

(1)

式中,Energyin代表所有的能量輸入,efficiency表示能量效率。

該模型中,某種燃料生產(chǎn)過(guò)程中氣體排放情況的基本計(jì)算原理如下：

(2)

式中,EMi,j為某階段生產(chǎn)1KJ的燃料j所排放的第i種污染物的量(g),EMcm,i,j是為生產(chǎn)1kJ過(guò)程燃料j所排放的第i種污染物的量(g),EMup,i,j是生產(chǎn)1kJ過(guò)程燃料j上游所排放的第i種污染物的量(g),ECj是生產(chǎn)1kJ能量過(guò)程燃料j的消耗量(kJ)。

對(duì)于本文計(jì)算的動(dòng)力電池包中稀貴金屬原生礦開采或資源化利用過(guò)程中氣體排放的計(jì)算原理如下：

(3)

式中,EMt,i,j為動(dòng)力電池包中某種稀貴金屬原生礦開采或資源化利用過(guò)程中消耗的燃料j排放的第i種污染物的量(g),ej為燃料j的燃燒排放因子(g/kJ),ECt,j為動(dòng)力電池包中某種稀貴金屬原生礦開采或資源化利用過(guò)程中燃料j的總消耗量(kJ)。

本文在考慮環(huán)境影響時(shí),主要考慮全球變暖潛值(GWP)、酸化潛值(AP)及粉塵顆粒(PM2.5、PM10)。對(duì)GWP的評(píng)價(jià)過(guò)程中以CO2為標(biāo)準(zhǔn)物,包括CO2、CH4、N2O。對(duì)AP的評(píng)估過(guò)程以SO2為標(biāo)準(zhǔn)物,主要考慮NOx和SOx兩種氣體。對(duì)不同的氣體進(jìn)行歸一化：

EMGWP=GWPCO2×EMCO2+GWPCH4×EMCH4+GWPN2O×EMN2O

(4)

EMAP=APSOx×EMSOx+APNOx×EMNOx

(5)

式中,EMGWP、EMCO2、EMCH4、EMN2O分別代表溫室氣體質(zhì)量、CO2質(zhì)量、CH4質(zhì)量和N2O質(zhì)量,GWPCO2、GWPCH4、GWPN2O分別為CO2、CH4、N2O的二氧化碳當(dāng)量溫室效應(yīng)影響因子。EMAP、EMSOx、EMNOx分別代表酸性氣體質(zhì)量、SOx質(zhì)量和NOx質(zhì)量,APSOx、APNOx分別為SOx、NOx的二氧化硫當(dāng)量酸性效應(yīng)影響因子。

1.1.2 環(huán)境價(jià)值測(cè)算方法

所謂污染物的環(huán)境價(jià)值,是指減排單位量的污染物所避免“污染物經(jīng)濟(jì)損失”的價(jià)值量,國(guó)際上廣泛采用環(huán)境成本對(duì)環(huán)境價(jià)值進(jìn)行量化[17]。本文擬采用日本綜合產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究所生命周期評(píng)估研究中心2005年開發(fā)的LIME值法測(cè)算污染物的環(huán)境價(jià)值。LIME值法運(yùn)用了生態(tài)學(xué)、環(huán)境工程學(xué)等自然科學(xué)知識(shí),將氣體對(duì)人類、自然資源等相關(guān)的多個(gè)領(lǐng)域造成的損害進(jìn)行建模和評(píng)估。其基本原理是將不同種類的環(huán)境負(fù)荷物所造成的人類健康損害量在共同的端點(diǎn)匯總,通過(guò)靈活運(yùn)用LIME的單一指標(biāo),把產(chǎn)品給環(huán)境帶來(lái)的各種影響轉(zhuǎn)換為貨幣價(jià)值,并且在指標(biāo)合并時(shí)考慮各端點(diǎn)數(shù)之間的重要性。LIME依據(jù)層次分析法和結(jié)合法確定各終端的重要性清單,詳細(xì)劃分地球溫暖化、臭氧層破壞、大氣污染等11個(gè)環(huán)境領(lǐng)域中的1000種環(huán)境物質(zhì),以其為評(píng)價(jià)對(duì)象,通過(guò)下式求得單一貨幣化指標(biāo)[18- 19]：

(6)

式中,Si表示物質(zhì)i的生命周期清單,DFij表示物質(zhì)i對(duì)保護(hù)對(duì)象j的損害系數(shù),WTPj代表保護(hù)對(duì)象j的i指標(biāo)單位損害回避意愿支付額。

1.1.3 動(dòng)力電池包報(bào)廢數(shù)量預(yù)測(cè)方法

從國(guó)外的研究經(jīng)驗(yàn)看,動(dòng)力電池包報(bào)廢數(shù)量的估算可以借鑒電子廢棄物產(chǎn)生量的估算模型[18]。Simon等人總結(jié)的7種主要的電子廢棄物報(bào)廢量估算模型中,市場(chǎng)供給A模型適用于預(yù)測(cè)HEV鎳氫電池包的報(bào)廢量,因此,本文擬采用市場(chǎng)供給A模型,對(duì)HEV廢舊鎳氫電池包的報(bào)廢數(shù)量進(jìn)行預(yù)測(cè)。具體如下：

(7)

式中,Qw為HEV鎳氫電池包報(bào)廢量,Si為從該年算起i年前HEV鎳氫電池包的銷售量,Pi為壽命為i年的HEV鎳氫電池包的百分比,i為HEV鎳氫電池包的實(shí)際壽命。

1.2 數(shù)據(jù)說(shuō)明

1.2.1 HEV鎳氫電池包成分參數(shù)

從全球范圍看,截至2015年7月底,豐田混合動(dòng)力車的全球累計(jì)銷量已經(jīng)突破800萬(wàn)輛；從我國(guó)汽車市場(chǎng)研究會(huì)(CPCA)的HEV銷售數(shù)據(jù)看,豐田HEV在我國(guó)HEV市場(chǎng)上占有絕對(duì)的優(yōu)勢(shì)。因此,本文選取豐田HEV廢舊鎳氫電池包為研究對(duì)象,該電池包也是HEV電池包的主要類型,其相關(guān)成分參數(shù)如表1所示。

表1 豐田HEV鎳氫電池包相關(guān)成分參數(shù)

1.2.2 基于GREET模型的環(huán)境影響測(cè)算數(shù)據(jù)

運(yùn)用GREET模型進(jìn)行模擬時(shí),計(jì)算能量消耗和氣體排放時(shí)需要涉及到燃料的原料及來(lái)源、技術(shù)份額、排放因子、燃料的加工效率、密度、低熱值、碳含量、硫含量、運(yùn)輸方式、運(yùn)輸距離等數(shù)值。本文使用GREET模型中設(shè)定的2012年的模擬數(shù)據(jù),對(duì)其中部分?jǐn)?shù)據(jù)的修改參考來(lái)源于《中國(guó)能源統(tǒng)計(jì)年鑒》、《中國(guó)交通運(yùn)輸統(tǒng)計(jì)年鑒》、《中國(guó)電力年鑒》及歐訓(xùn)民[19]、齊天宇[20]、李書華[21]等學(xué)者的研究,詳見(jiàn)表2所示,其他數(shù)據(jù)均參考了GREET模型中的內(nèi)置數(shù)據(jù)。此外,GREET模型中采用的單位與我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)不同,本文的換算關(guān)系為：1Btu=1053.864J。

本文中的CO2、CH4、N2O的二氧化碳當(dāng)量溫室效應(yīng)影響因子GWPCO2、GWPCH4、GWPN2O的取值參考大氣環(huán)境變化國(guó)際政府間工作組織(IPCC)推薦的數(shù)據(jù),分別為1、25、296。對(duì)于SOx、NOx的二氧化硫當(dāng)量酸性效應(yīng)影響因子APSOx、APNOx的取值分別為0.7和1[22]。

1.2.3 基于LIME值法的環(huán)境價(jià)值測(cè)算數(shù)據(jù)

本文根據(jù)日本發(fā)布的環(huán)境損害綜合系數(shù)表可查得CO2、SO2、粉塵(PM2.5、PM10)的LIME系數(shù)值,然后通過(guò)人民幣與日元之間的匯率將LIME值折算成人民幣,進(jìn)而測(cè)算出HEV廢舊鎳氫電池包中稀貴金屬資源化利用和原生礦開采的溫室氣體、酸性氣體和粉塵顆粒的環(huán)境價(jià)值,如表3所示。

1.2.4 基于市場(chǎng)供給A模型的數(shù)量預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)

隨著我國(guó)《乘用車燃料消耗量限值》第三階段標(biāo)準(zhǔn)的出臺(tái),政府從2012年開始加大對(duì)HEV的發(fā)展。在相關(guān)政策的刺激下,從2012年開始HEV成批投放市場(chǎng)。因此,本文選取2012年為時(shí)間起點(diǎn),預(yù)測(cè)我國(guó)市場(chǎng)上現(xiàn)存的HEV鎳氫電池包未來(lái)的報(bào)廢情況。從2012年至目前(2015年10月),我國(guó)的HEV銷售量如圖2所示。

表3 污染物環(huán)境價(jià)值

LIME:Life-cycleImpactAssessmentMethodBasedonEndpointModeling

圖2 我國(guó)HEV銷售量(2012—2015)Fig.2 The sales of HEV in China (2012—2015) HEV: 混合動(dòng)力汽車Hybrid Electrical Vehicle；數(shù)據(jù)來(lái)源于全國(guó)汽車市場(chǎng)研究會(huì)及混合動(dòng)力汽車行業(yè)信息情報(bào)專家

根據(jù)HEV鎳氫電池壽命大概為6—8a,假設(shè)我國(guó)HEV動(dòng)力電池包的平均使用壽命為7a,且產(chǎn)品的實(shí)際使用壽命圍繞平均使用壽命呈正態(tài)分布[23],大部分電池包在這一平均年限上下一年的時(shí)間內(nèi)報(bào)廢。盡管有部分HEV廢舊鎳氫電池包經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單處理后可進(jìn)行梯次利用,但因數(shù)量較少且情況復(fù)雜,本文暫未考慮梯次利用的情況。選取HEV鎳氫電池包的平均使用壽命7a為平均值,則HEV鎳氫電池包的使用壽命服從正態(tài)分布N(7,2/3),標(biāo)準(zhǔn)化后通過(guò)查正態(tài)分布表得HEV鎳氫電池包的壽命分布比例：壽命為6a的電池包概率為11.025%,壽命為7a的電池包概率為38.975%,壽命為8a的電池包概率為38.975%,壽命大于8a的概率為11.025%。即P6=11.025%,P7=38.975%,P8=38.975%,P9=11.025%。

2 結(jié)果分析

2.1 基于GREET模型的環(huán)境影響測(cè)算結(jié)果

根據(jù)表2中我國(guó)實(shí)際情況數(shù)據(jù)和GREET模型中2012年的內(nèi)置數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬計(jì)算得到,單位HEV廢舊鎳氫電池包中的稀貴金屬分別進(jìn)行原生礦開采與資源化利用的環(huán)境影響如表4所示。

表4 單位HEV廢舊鎳氫電池包中稀貴金屬原生礦開采與資源化利用的環(huán)境影響

Table4EnvironmentalinfluenceofprimaryoreminingandresourceutilizationofpreciousmetalsinunitHEVspentNi-MHbatterypack

稀貴金屬Preciousmetals能量/MJEnergy溫室氣體/gGreenhousegas酸性氣體/gAcidgas粉塵/gDustCO2CH4N2OSOxNOxPM2.5PM10原生礦鎳Nickel56613870931456517957724125262Primaryoremin-ing氧化鈷Cobaltoxide249170486403232410稀土Rareearth734484211561163862165合計(jì)1Total166444525621676618153842150337資源化鎳Nickel7314424825816184923Resourceutilization氧化鈷Cobaltoxide3219481103401稀土Rareearth1046860220231239合計(jì)2Total2867530562911871001233

將上述得到的各溫室氣體和酸性氣體代入式(4)、(5),最終得出單位HEV廢舊鎳氫電池包中稀貴金屬資源化利用的歸一化節(jié)能減排情況,如表5所示。

表5 單位HEV廢舊鎳氫電池包中稀貴金屬資源化利用的節(jié)能減排量

2.2 基于LIME值法的環(huán)境效益測(cè)算結(jié)果

將表5中各污染物的排放量乘以表3中各污染物的環(huán)境價(jià)值得到,單位HEV廢舊鎳氫電池包中稀貴金屬,分別進(jìn)行原生礦開采和資源化利用的環(huán)境成本,二者相減得到其環(huán)境效益如表6所示,其總的環(huán)境效益可達(dá)1083元。

表6 單位HEV廢舊鎳氫電池包中稀貴金屬資源化利用環(huán)境效益

2.3 基于市場(chǎng)供給A模型的環(huán)境效益預(yù)測(cè)結(jié)果

圖3 我國(guó)市場(chǎng)上現(xiàn)存HEV鎳氫電池包報(bào)廢情況預(yù)測(cè) Fig.3 The forecast for the scrap situation of HEV Ni-MH battery packs in China

運(yùn)用市場(chǎng)供給A模型對(duì)我國(guó)市場(chǎng)上現(xiàn)存的HEV鎳氫電池包未來(lái)的報(bào)廢情況進(jìn)行預(yù)測(cè),結(jié)果如圖3所示。由圖可以看出,我國(guó)市場(chǎng)上現(xiàn)存的HEV鎳氫電池包將從2018逐漸迎來(lái)報(bào)廢,在2021年達(dá)到報(bào)廢高峰,至2024年基本完成報(bào)廢。

假設(shè)對(duì)這些HEV廢舊鎳氫電池包中的稀貴金屬進(jìn)行有效的資源化利用,可產(chǎn)生環(huán)境效益累計(jì)達(dá)9421萬(wàn)元,具體情況如表7所示。

3 結(jié)論與討論

廢舊動(dòng)力電池包中含有豐富的鎳、鈷、稀土等稀貴金屬,其資源化利用是實(shí)現(xiàn)HEV全生命周期綠色化管理的重要內(nèi)容之一。本文以我國(guó)市場(chǎng)上現(xiàn)存的HEV鎳氫電池包為研究對(duì)象,對(duì)其未來(lái)報(bào)廢后所含稀貴金屬資源化利用的環(huán)境效益進(jìn)行了測(cè)算,研究表明：

(1)HEV廢舊鎳氫電池包中的稀貴金屬資源化利用不僅具有資源價(jià)值,而且還有顯著的節(jié)能減排效果。相對(duì)于原生礦開采,單位HEV廢舊鎳氫電池包中的稀貴金屬資源化利用可節(jié)能5777MJ,減排的溫室氣體為435627g、酸性氣體為18585g、PM2.5為138g、PM10為304g。因此,有必要進(jìn)一步促進(jìn)汽車廠商履行生產(chǎn)者責(zé)任,健全廢舊動(dòng)力電池的回收與逆向物流網(wǎng)絡(luò),完善汽車產(chǎn)業(yè)全生命周期的綠色管理體系。

(2)HEV廢舊鎳氫電池包中的稀貴金屬進(jìn)行資源化利用具有環(huán)境效益的正外部性。相對(duì)于原生礦開采,單位HEV廢舊鎳氫電池包中的稀貴金屬資源化利用可帶來(lái)的環(huán)境效益為1083元。然而,目前我國(guó)正規(guī)處置企業(yè)大多面臨回收難、成本高、效益差等難題,這將會(huì)影響未來(lái)廢舊動(dòng)力電池的資源化利用。因此,國(guó)家需要出臺(tái)動(dòng)力電池“以舊換新”、“抵押-返還”政策,完善處置基金制度,建立生態(tài)補(bǔ)償機(jī)制。

表7 中國(guó)市場(chǎng)上現(xiàn)存HEV鎳氫電池包中稀貴金屬資源化利用節(jié)能減排量及環(huán)境效益預(yù)測(cè)

Table7TheforecastofenergyconservationandemissionreductionandenvironmentalbenefitsfromtheresourceutilizationofpreciousmetalsinHEVspentNi-MHbatterypacksinChina

年份Year2018201920202021202220232024節(jié)能Energyconservation/TJ534951491386813減排溫室氣體Greenhousegasemissionreduction/t4032589716011226102725133995減排酸性氣體Acidgasemissionreduction/t1711030547944321942減排PM2.5PM2.5gasemissionreduction/t0124320減排PM10PM10gasemissionreduction/t0258741環(huán)境效益environmentalbenefits/萬(wàn)元1006441780279125831276247合計(jì)Total/萬(wàn)元9421

(3)隨著HEV的不斷上市,廢舊鎳氫電池包將在未來(lái)幾年逐漸進(jìn)入批量報(bào)廢階段。我國(guó)市場(chǎng)上現(xiàn)存的HEV鎳氫電池包將從2018逐漸迎來(lái)報(bào)廢,在2021年達(dá)到報(bào)廢高峰,至2024年基本完全報(bào)廢。如果能夠?qū)ζ涮N(yùn)含的稀貴金屬進(jìn)行有效的資源化利用,其環(huán)境效益累計(jì)達(dá)9421萬(wàn)元。當(dāng)前我國(guó)已把HEV列為《中國(guó)制造2025》重點(diǎn)發(fā)展領(lǐng)域,這將刺激HEV的消費(fèi),并由此帶來(lái)HEV鎳氫電池包的大規(guī)模使用。因此,我國(guó)應(yīng)在HEV鎳氫電池包大規(guī)模報(bào)廢來(lái)臨之前,加快出臺(tái)拆解及資源化利用的技術(shù)規(guī)范及標(biāo)準(zhǔn),實(shí)施嚴(yán)格的準(zhǔn)入制度,為廢舊動(dòng)力電池的資源化利用提早布局。

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Environmental benefit analysis of resource utilization of precious metals in HEV spent Ni-MH battery packs in China

WANG Chang1,2,WEI Meiqin1, YAO Hailin1,2,*, ZUO Lüshui1

1BusinessSchool,CentralSouthUniversity,Changsha410083,China2InstituteofMetalResourcesStrategy,CentralSouthUniversity,Changsha410083,China

In recent years, the Chinese government has committed to promoting the use of energy-saving and alternative energy vehicles, aiming to reduce dependency on oil imports and address the air pollution problem. Hybrid electric vehicles (HEV) have been developed in China since 2012. As a key component of hybrid electric vehicles, Ni-MH batteries have entered its mature period and should be replaced 2—3 times during the life of a HEV. Spent Ni-MH power battery packs contain a wealth of rare metals (e.g., nickel, cobalt and rare earth). The green utilization of these spent Ni-MH batteries is important because of their environmental value. With the gradual popularization of the HEV, the volume of spent Ni-MH power battery packs will increase over the coming years. The environmental benefits of utilizing waste Ni-MH power batteries will therefore become an important topic. Many studies have explored the environmental impact of utilization of power batteries, but few of them have conducted quantitative research on the environmental benefits of the utilization of precious metals from these batteries. For this reason, they cannot recommend specific policies for use in the future development of the HEV industry in China. To fill this gap, this study calculated the energy-saving and emission reduction effects of resourceful utilization of three precious metals (nickel, cobalt, rare earth) from HEV Ni-MH battery packs, with the application of the GREET model proposed by the Argonne National Laboratory in the United States. In this paper, energy consumption, greenhouse gas, acid gas, and dust particles were used as indexes to calculate energy-saving emission reduction effects. The Ni-MH battery pack of the Toyota HEV was selected as a representative model, as it is currently dominating the market. The results reveal that the per unit resourceful utilization of the three precious metals in the HEV Ni-MH battery pack can save 5777 MJ of energy and prevent the emission of 435627 g of greenhouse gas, 18584 g of acidic gas, 138 g PM2.5, and 304 g PM10, when compared to primary ore mining. This saved energy and reduced emissions can be converted into environmental benefits of 1083 Yuan using the LIME value method. We took 2012 as a baseline year for predicting the number of spent HEV Ni-MH battery packs in China because China′s HEV industry has developed rapidly since 2012, and many Ni-MH batteries have been put on the market since then. Based on sales of HEV Ni-MH battery packs from 2012 to 2015 and their life cycle, the quantity and distribution of spent battery packs were predicted using the market supply A model. The resulting predictions show that these battery packs will start to be scrapped from 2018, reaching a peak in 2021, and be out of the market in 2024. If precious metals in these battery packs were recycled and transformed into resources, the environmental benefit could be considered to be worth a remarkable 94.21 million Yuan. Finally, we proposed recommendations for the Chinese government for the improvement of policies and regulation concerning China′s HEV spent battery recycling and utilization industry. First, we suggest that an extended producer responsibility (EPR) system for problematic recycling should be established and the reverse logistics network should be optimized. Implementation of economic incentives (e.g., the policy of trade-in, deposit-refund, and ecological compensation mechanism) to foster spent battery recycling should be introduced. Finally, it is important to create technical specifications and standards for dismantling and recycling.

HEV spent Ni-MH battery pack; precious metals; environmental benefits; GREET model; LIME value method

國(guó)家社會(huì)科學(xué)基金重大資助項(xiàng)目(14ZB136)；國(guó)家社會(huì)科學(xué)基金項(xiàng)目(13BGL105，13CJY029，14BGL196); 湖南省軟科學(xué)項(xiàng)目(2013ZK2003，2013ZK3025)

2015- 07- 30;

2016- 03- 24

10.5846/stxb201507301605

*通訊作者Corresponding author.E-mail: yaohailin14703@163.com

王昶,魏美芹,姚海琳,左綠水.我國(guó)HEV廢舊鎳氫電池包中稀貴金屬資源化利用環(huán)境效益分析.生態(tài)學(xué)報(bào),2016,36(22):7346- 7353.

Wang C,Wei M Q, Yao H L, Zuo L S.Environmental benefit analysis of resource utilization of precious metals in HEV spent Ni-MH battery packs in China.Acta Ecologica Sinica,2016,36(22):7346- 7353.